自1991年以來，鋰離子電池就已經(jīng)開始供電。特斯拉已經(jīng)成功地將它們用于汽車和可再生能源的存儲(chǔ)。它們既昂貴又危險(xiǎn)。

鋰電池示意圖。所有電池都遵循相同的一般原則。

尋找新的綠色電池技術(shù)還沒有找到任何可行的鋰電池替代品。但過去一年的發(fā)展顯示出前景。

任何電池都有兩個(gè)端子，標(biāo)記為正極和負(fù)極。在某種情況下，它們具有由電解質(zhì)隔開的兩個(gè)電極。

一個(gè)電極即陰極連接到正極端子。另一個(gè)是陽極，連接到負(fù)極端子。電解質(zhì)允許電荷在電極之間流動(dòng)。

收集器將電荷傳導(dǎo)到電池外部的負(fù)載。負(fù)載是電池運(yùn)行的任何東西，例如手電筒，筆記本電腦或汽車引擎。

到目前為止，所有商用電池都使用液體電解質(zhì)。任何曾經(jīng)看過“干電池”電池的人都知道，一旦電解液浸出，電解液就會(huì)變得腐蝕和惡心。幾個(gè)研究小組已經(jīng)完成了更安全的固態(tài)電解質(zhì)測試。

手電筒，便攜式收音機(jī)和其他設(shè)備長期使用干電池。最終，標(biāo)準(zhǔn)干電池完全放電，只能丟棄。

可充電電池允許來自電池外部的電流反轉(zhuǎn)電子流。在陽極具有新的電子供應(yīng)之前，它是正的，而不是從負(fù)到正。

鋰離子電池不是唯一的可充電電池，但它們已成為最常見和多功能的電池。

尋找鋰電池的替代品

波特蘭通用電氣鋰離子電池系統(tǒng)

鋰是一種相對稀有的元素，必須從鹽水中提取。除電池之外的其他行業(yè)依賴于它，但其在電池中的使用大大增加了對它的需求，因此成本增加。

鋰電池在充電之間不會(huì)持續(xù)很長時(shí)間。但也許他們最嚴(yán)重的劣勢來自于他們過熱和著火的傾向。

元素鋰不穩(wěn)定?？茖W(xué)家多年來一直在尋找安全的化合物。不幸的是，元素鋰可以逃逸并在陽極和陰極之間形成枝晶。它們會(huì)導(dǎo)致短路，從而破壞電池。

出于兩個(gè)主要原因，尋找鋰離子電池替代品尚未取得突破：

·許多團(tuán)隊(duì)正在研究許多不同的替代方案。他們中的任何一個(gè)都可能以某種方式改進(jìn)鋰電池，但在另一種方式上卻沒有那么好。對鋰離子電池新替代品的所有研究已經(jīng)產(chǎn)生了許多電池，這些電池在某種程度上更好，但沒有什么明確的好。

·擴(kuò)大研究范圍以將創(chuàng)新投入生產(chǎn)需要時(shí)間和金錢。它可能需要數(shù)億美元。擁有這種錢的公司不會(huì)在足夠長的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行投資。擁有充足時(shí)間的獨(dú)立研究實(shí)驗(yàn)室無法在這種規(guī)模上籌集資金。

特斯拉在Gigafactory投資約50億美元。研究鋰替代品的研究人員如果將資源匯集到一個(gè)基金中，就不會(huì)那么多。

幸運(yùn)的是，我們不需要一種新的綠色電池技術(shù)。用于為電子設(shè)備供電的功能也不一定必須用于汽車或電網(wǎng)存儲(chǔ)。

電動(dòng)汽車的新電池技術(shù)

寶馬i3充電口

即使新技術(shù)在現(xiàn)有技術(shù)上有所改進(jìn)，它們起初也會(huì)更加昂貴，并且將面臨來自根深蒂固的產(chǎn)品的競爭。如果它們可以集成到鋰離子電池的制造容量中，它將有助于固態(tài)電池的開發(fā)。

原則上，固態(tài)技術(shù)適用于電網(wǎng)存儲(chǔ)和電動(dòng)車輛電池。高端電動(dòng)汽車似乎是任何新電池技術(shù)商業(yè)成功的最快捷途徑。

介紹了用于鋰離子電池的鈷氧化物陰極已超過25年。他在德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的團(tuán)隊(duì)制定了一種新的電池化學(xué)方法。

它使用鈉離子代替鋰。鈉比鋰更常見，使鈉電池比鋰電池便宜。也許更重要的是，他的團(tuán)隊(duì)用退火的玻璃纖維板制成電解質(zhì)而不是某種液體。它不會(huì)爆炸。

科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種用于鎂離子電池的固態(tài)電解質(zhì)。鎂相對于鋰的優(yōu)勢包括更高的能量密度。

可用的液體電解質(zhì)證明具有腐蝕性，因此團(tuán)隊(duì)決定探索固體電解質(zhì)。他們使用鎂鈧硒化物尖晶石代替玻璃。到目前為止，該實(shí)驗(yàn)室尚未生產(chǎn)原型電池。一個(gè)瑞士團(tuán)隊(duì)也在研究使用鎂，鈉和固體電解質(zhì)的電池。

固態(tài)電池上市需要至少十年才能上市。

雖然這些固態(tài)電池最有可能在電動(dòng)汽車中找到它們的第一個(gè)商業(yè)應(yīng)用，但開發(fā)

用于電網(wǎng)存儲(chǔ)的新電池技術(shù)

釩液電池可替代鋰離子電池系統(tǒng)-

以下技術(shù)不適用于電動(dòng)汽車，但它們對電網(wǎng)存儲(chǔ)具有很大的希望。在多倫多附近，很難找到商業(yè)上可行的鋰電池替代品。

加拿大公司Deltro在那里建造了兩個(gè)倉庫大小的鋰離子電池。2018年春季，它們將成為加拿大電網(wǎng)的一部分，這是該國第一個(gè)公用事業(yè)規(guī)模的儲(chǔ)能項(xiàng)目。

特斯拉已經(jīng)在澳大利亞為風(fēng)能安裝了公用事業(yè)規(guī)模的蓄電池。任何新的綠色電池技術(shù)都必須與已有的綠色電池技術(shù)競爭。

氫燃料電池一直被視為鋰的主要替代品。它們是在19世紀(jì)30年代發(fā)明的，但是最優(yōu)秀的人才無法找到經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)它們的方法。

泵送水力發(fā)電存儲(chǔ)是目前最便宜的存儲(chǔ)技術(shù)。每千瓦時(shí)的成本約為100美元，但它僅適用于某些地理位置。特斯拉聲稱它可以制造鋰電池僅比5美元多。

液流電池

麻省理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)宣布了一種硫基液流電池，他們估計(jì)這種電池的成本僅為每千瓦時(shí)20美元。陽極，陰極和電解質(zhì)都是液流電池中的液體。在這一個(gè)中，陽極是水中的硫，陰極是充氣鹽溶液。

硫磺是瀝青砂煉油廠的廢料，價(jià)格便宜且豐富?，F(xiàn)有庫存已達(dá)400萬立方米。因此，硫基電池中的活性材料僅花費(fèi)1美元/千瓦時(shí)，低于幾乎任何其他可充電電池的價(jià)格。新電池的密度是泵送水力系統(tǒng)的500至1,000倍。它仍然需要鋰離子來攜帶電荷。

釩液流電池已經(jīng)存在足夠長的時(shí)間，一些公司已接近將其作為替代鋰電池用于電網(wǎng)存儲(chǔ)的市場。然而，它們目前的成本是泵送水力發(fā)電機(jī)的三到五倍。

鋰電池的其他電網(wǎng)存儲(chǔ)替代品

斯坦福大學(xué)的工程師們已經(jīng)開發(fā)出一種電池，其電極由鋁和石墨制成，兩者都比鋰電池更常見。所述電解質(zhì)主要由尿素，它來自尿液和已經(jīng)在肥料中的常見成分。與他們嘗試的第一種電解質(zhì)相比，使用尿素將成本降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

電池充電速度快，可以充電和充電數(shù)千次。它具有99.7％的庫侖效率，這意味著它將具有較長的生命周期。因此它比鋰離子電池更便宜，更高效，更耐用，但它只有一半的能量密度。

俄勒岡州立大學(xué)的研究人員宣布開發(fā)出一種不含金屬的水合離子電池。Hydronium是一種改變的水，H3O+。它是第一種被證明對電池有用的非金屬離子。它使用稀硫酸作為電解質(zhì)，這是一種豐富的可再生物質(zhì)。

這些創(chuàng)新幾乎不代表過去一年中所有新的綠色電池技術(shù)?？茖W(xué)家們還在柔性電池方面取得了突破，例如印在織物上的可穿戴電池和植入式醫(yī)療技術(shù)。